ТЕПЛООБМЕННИК ИЗ НЕСКОЛЬКИХ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ОБМЕННЫХ ТРУБ Российский патент 1997 года по МПК F28D1/04 

Изобретение относится к теплообменнику из нескольких параллельно расположенных обменных труб, сечение которых для прохождения одной из участвующих в теплообмене сред имеет по сравнению с высотой большую ширину, причем на каждой из обеих плоских сторон обменных труб закреплены ребра, образованные из многократно изогнутой в форме меандра ребристой ленты.

Теплообменник такого рода известен. Используемые в нем обменные трубы состоят каждая из двух получаш, снабженных ребрами в подходящем для этого устройстве. Затем каждые две получаши соединяют между собой, в результате чего образуются обменные трубы с сечением в форме удлиненного овала. В известном теплообменнике ребра формованы из ребристой ленты, которая перед креплением на плоских сторонах соответствующей обменной трубы получает необходимую ребристую форму посредством многократного изгибания в форме меандра. Далее формованную таким образом ребристую ленту крепят на соответствующей плоской стороне обменной трубы.

У одного варианта исполнения известного теплообменника предусмотрено снабдить ребра, которые изготовлены из бесконечной ребристой ленты и образуют выполненный сплошным по длине плоских сторон канал, выдавками в форме боковых смещений. Таким образом, в омывающей каналы среде создается повышенная степень турбулентности, что способствует повышению теплопередачи.

Недостатком теплообменников этого рода является относительно высокая склонность к загрязнению образованных ребрами каналов. Выдавки в форме отдельных боковых смещений еще больше повышают эту склонность к загрязнению, поскольку в этих местах особенно легко могут застрять частицы грязи, что при продолжении эксплуатации теплообменника может привести к полной закупорке соответствующего канала. Это вызывает нежелательное локальное ухудшение теплопередающей способности теплообменника.

Задачей изобретения является усовершенствование известного теплообменника таким образом, чтобы уменьшить влияние возможных загрязнений на теплопередающую способность теплообменника.

Для решения этой задачи предложено выполнить в ребрах несколько отверстий, ширина каждого из которых, по меньшей мере, равна расстоянию между двумя соседними ребрами.

Благодаря этому в случае локальных загрязнений и, в частности, закупорок отдельных сечений канала, поток может попасть через отверстия в соседние сечения канала, так что нарушение потока и тем самым потеря теплопередающей способности невелика. Если омывание образованного соседними ребрами сечения канала больше невозможно, то поток может отклониться через одно из выполненных в ребрах отверстий в соседнее сечение канала и продолжать протекать там. После обхода этого препятствия поток может затем снова перейти через дополнительное отверстие в первоначальное сечение. Достигнутое таким образом соединение двух потоков в одном сечении не имеет в отношении теплопередающей способности заметных недостатков, поскольку в зоне отклонения скорость потока принудительны образом возрастает, так что теплопередающая способность локально повышается. Благодаря этому частично устраняется потеря теплопередающей способности в закупоренном сечении.

Согласно предпочтительному исполнению, отверстия расположены в зоне обращенных от плоской стороны обменной трубы изгибов ребер, так что возможен обмен со средой, омывающей ребра соседней обменной трубы, благодаря этому достигается более равномерное распределение потерь, обусловленных загрязнениями, по отдельным обменным трубам теплообменника. Этому, кроме того, способствует то, что отверстия совпадают с отверстиями ребер соседней обменной трубы.

Обмен потоков между разделенными посредством ребер сечениями улучшается далее за счет того, что на боковых поверхностях ребер выполнены в зоне основания ребер дополнительные отверстия, ширина которых меньше, чем расстояние между соседними ребрами.

С тем чтобы, несмотря на дополнительные отверстия, обеспечить высокую механическую жесткость ребристой ленты, дополнительные отверстия находятся предпочтительно на равном расстоянии от двух соседних отверстий на вершинах ребер.

Особенно хорошее соединение между ребристой лентой и соответствующей обменной плитой достигается тогда, когда, согласно предпочтительной форме исполнения, меандры ребристой ленты прямоугольны, так что вершины ребер прилегают к плоским сторонам обменной трубы или к соответственно выполненным поверхностям ребристой ленты соседней обменной трубы. Благодаря этому улучшается также взаимная поддержка двух соседних обменных труб.

Другое исполненние теплообменника отличается частично углубленными, частично возвышающимися выдавками в боковых поверхностях ребер. Часть выдавок расположена снаружи, а другая часть внутри ребер. Эти выдавки создают или усиливают турбулентность омывающей среды, за счет чего дополнительно повышается теплопередающая способность.

Согласно другому варианту изобретения, вершины ребер закреплены на плоских сторонах обменной трубы посредством линейной непрерывной сварки. Таким образом, образуется особенно хорошее металлическое соединение между деталями, а тем самым, высокая теплопередача между обменной трубой и ребрами.

Предпочтительно сварка вершин соответствующей плоской стороной осуществляется посредством конденсаторной сварки. Этот способ обеспечивает при соединении ребристой ленты и обменной трубы подгонку без щелей широких сторон основного тела к контуру соответствующего основания ребра. Необходимое для этого усилие прижима создается двумя электродами, являющимися составными частями машины для конденсаторной сварки. В то время как один электрод входит в зону оснований двух соседних ребер, другой электрод прилегает к соответствующей внутренней стороне основного тела и образует здесь упор. Таким образом обеспечивается бесщелевое соприкосновение соединяемых деталей, так что после разряда конденсаторов достигается линейное крепление ребер на основании тела, а тем самым, очень хорошая теплопередача между этими деталями.

На фиг. 1 изображен теплообменник с двумя параллельно расположенными обменными трубами, снабженными с обеих сторон ребрами в разрезе; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 в перспективе протекание процесса изготовления, изображенного на фиг. 1 и 2 теплообменника с применением способа конденсаторной сварки; на фиг. 4 соединяемые детали по фиг. 3 непосредственно перед составлением и сваркой в разрезе; на фиг. 5 соединяемые детали по фиг. 3 непосредственно перед составлением и сваркой при видоизмененном по сравнению с фиг. 4 способе в разрезе.

Изображенный на фиг. 1 теплообменник состоит из обменных труб 1, расположенных параллельно друг друга в виде пакета. Для наглядности на фиг. 1 изображены лишь две такие обменные трубы 1.

Из фиг. 1 видно, что сечение обменных труб 1 для прохождения одной из участвующих в теплообмене сред имеет большую, по сравнению с высотой H, ширину B. Продольные кромки образованной таким образом обменной трубы 1 скруглены, так что в целом образуется сечение в форме удлиненного овала.

Другая среда подается перекрестным потоком по внешним плоским сторонам 2 обменных труб 1. С целью улучшения теплообмена, для увеличения эффективных поверхностей теплообмена на соответствующих плоских сторонах 2, участвующих в этом обменных труб 1, расположены ребра 3. Ребра 3 изготовляют из бесконечной ленты путем постоянного изгибания, так что, если смотреть вдоль обменной трубы 1, ребра 3 примыкают друг к другу в форме меандра. Это особенно хорошо видно на фиг. 2. Меандры образованной таким образом ребристой ленты 4 имеют прямоугольную форму, так что обращенные к обменной трубе 1 и обращенные от нее вершины 5 образуют плоские поверхности 6. При этом поверхности 6 служат для особенно хорошего соединения зоны оснований ребер с плоской стороной 2 обменной трубы 1. В качестве материала для ребристой ленты 4 подходит, например, листовая сталь толщиной 0,1-0,4 мм, которая с обеих сторон плакирована тонким алюминиевым слоем.

Ребра 3, состоящие из изогнутой в форме меандра ребристой ленты 4, находятся на обеих сторонах обменных труб 1. Выполненные таким образом обменные трубы 1 можно затем составлять в любые пакеты, причем крепление и распирание отдельных обменных труб 1 осуществляется на их концах. При этом вершины 5 на конце ребра 3 должны быть как можно ближе к противоположным вершинам 5 соседней обменной трубы 1. Однако, расстояние не должно быть настолько мало, чтобы возникла опасность соприкосновения между ребрами 3 соседних обменных труб 1.

Для соединения зоны оснований ребер с плоской стороной 2 обменной трубы применяют способ конденсаторной сварки, поясняемой ниже с мощностью фиг. 3-5.

У конденсаторной сварки речь идет об особом виде контактной сварки, при которой требуемая энергия во время сварки отбирается не непосредственно из сети через трансформатор, а из конденсаторной батареи, заряжаемой в качестве аккумулятора энергии вне времени сварки. Преимущество конденсаторной сварки состоит в ее пригодности для использования также различных материалов, например сталь и алюминий. Кроме того, с помощью этого способа можно сваривать также материалы с обратной поверхностью, например оцинкованные или алюминированные листы, не вызывая повреждения поверхности.

При конденсаторной сварке используются два не зависимых друг от друга электрода 7 и 8. В примере исполнения верхний электрод 7 в количестве пяти штук состоит из пластинчатых отдельных электродов из подходящего электродного материала, например CuCrZr. Нижний электрод 8 выполнен в виде плиты, которая проходит по всей ширине обменной трубы 1 и имеет точно ее внутренний профиль. Таким образом, нижний электрод 8 служит одновременно направляющей тела обменной трубы в процессе сварки. В частности, однако, нижний электрод 8 образует упор для созданных верхними электродами 7 усилий прижима. Для этого нижний электрод 8 опирается на сварочный аппарат подходящим образом через изоляцию. Верхние электроды 7 выверены так, что своими узкими торцами они могут точно выходить между двумя соседними ребрами 3, пока не упрутся в расположенную между ними зону оснований ребер на внутренней стороне поверхности 6. Пружинящие элементы 7а создают при этом определенное усилие прижима, воспринимаемое служащим в качестве упора нижним электродом 8. По достижении заданного значения давления конденсаторы разряжаются, за счет чего кратковременно от верхних электродов 7 к нижнему электроду 8 протекает высокая энергия. Вследствии концентрации сварочной энергии сварочной зоной, а также очень короткого времени сварки от 1 до 10 мс,не происходит заметного нагревания деталей. Готовые детали теплообменника выходят из машины практически холодными, остаются поэтому формоустойчивыми и не склонны к короблению или формоизменению.

За счет использования нескольких независимых верхних электродов 7 компенсируются незначительные изгибы, и происходит линейная сплошная сварка ребер 3 с соответствующей плоской стороной 2 обменной трубы 1.

На фиг. 4 и 5 обменная труба 1 и ребра 3 изображены непосредственно перед их соединением, причем приводимые в контакт между собой поверхности снабжены выполненной в виде раппорта поверхностной структурой. В примере исполнения на фиг. 4 наружная плоская сторона 2 обменной трубы 1 снабжена мелким равномерным рифлением 8 с глубиной канавок 0,1-0,3 мм. В противоположность этому, в примере исполнения на фиг. 5 выполненная в виде раппорта поверхностная структура находится на нижней стороне зон оснований ребер, т. е. в зоне вершин 5. Для этого они снабжены чеканками в форме выступающих вниз бугорков или возвышений 8а.

Принцип в изображенных на фиг. 4 и 5 случаях следующий.

После прилегания друг к другу соединяемых между собой деталей непосредственный металлический контакт между участвующими поверхностями происходит сначала только в зоне соответствующих возвышений 8а. За счет этого возникают точно определенные по положению и протяженности металлические мостики, по которым высвобождающаяся от электродов 7 и 8 сварочная энергия сначала уменьшается. В результате резко возникающего процесса плавления эти возвышения устраняются, так что после полного разряда образуется особенно равномерное сварное соединение. Это сварное соединение, в частности, лучше, чем оно было бы в случае сварки хаотично шероховатых поверхностей.

На фиг. 3 ребристая лента 4 изображена в виде сплошного, сложенного в форме меандра, листа без дополнительных структур. Здесь речь идет, правда, об упрощенном изображении, взятом лишь для пояснения изобретения. В рамках изобретения ребра не образуют закрытых по всей длине каналов, а снабжены с равными промежутками отверстиями 9, как это подробно изображено на фиг. 1, 2, 4 и 5. Эти отверстия 9 расположены в зоне обращенных от плоской стороны 2 обменной трубы 1 изгибов 5, т. е. в зоне конца ребер. Через эти отверстия 9 может происходить массообмен со средой, омывающей ребра 3 соответствующей соседней обменной трубы 1.

Принцип действия поясняется ниже с помощью фиг. 1. Стрелки А обозначают вход потока в зону ребер. Однако, в одном из сечений находится загрязнение S. Поскольку прохождение потока в этой зоне невозможно, у теплообменника известного рода омывание этого сечения полностью прекратилось бы. Благодаря отверстиям 9 поток может совершить обход U. При этом поток переходит через расположенное перед препятствием отверстие 9 в то сечение, которое образовано ребрами соответствующей соседней обменной трубы 1. Здесь скорость потока возрастает. После обхода препятствия часть потока может снова вернуться через следующее отверстие 9 в первоначальное сечение, так что поток, в конце конца, равномерно покидает теплообменник.

Описанное действие обеспечено тогда, когда сечение каждого из отверстий 9 имеет, по меньшей мере, величину омываемого сечения Q между двумя соседними ребрами 3.

Отдельные ребра 3 снабжены дополнительными геометрическими структурами, которые служат для перемешивания протекающей насквозь или мимо среды, или создания турбулентностей. Для этого в боковых поверхностях ребер 3 и т. п. выполнены выдавки 10 в форме боковых выступов, проходящих попеременно к одной сторонам ребер 3. Эти выдавки 10 вызывают значительное повышение турбулентности протекающей мимо среды. Для достижения обмена между внутренним пространством ребер и соседним наружным пространством ребер предусмотрены дополнительные отверстия 11. Они находятся на боковых поверхностях ребер 3 в зоне их основания. Сечение отверстий 11 заметно меньше сечения отверстий 9, в частности, меньше величины омываемого сечения Q между двумя соседними ребрами 3. Из фиг. 1 видно, что дополнительные отверстия 11 находятся на равном расстоянии от двух соседних отверстий 9 на вершинах ребер.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкциям теплообменников. Сущность изобретения: теплообменник состоит из нескольких параллельно расположенных обменных труб, сечение которых при прохождении одной из участвующих в теплообмене сред имеет большую по отношению к высоте ширину. На каждой из обеих широких сторон обменных труб закреплены ребра, образованные многократно изогнутой в форме меандра ребристой лентой. Для того, чтобы уменьшить влияние возможных загрязнений на теплопередающую способность теплообменника, в ребрах выполнены отверстия, ширина каждого из которых равна, по меньшей мере, расстоянию между двумя соседними ребрами. Отверстия расположены в зоне обращенных от плоской стороны обменной трубы вершин ребер. Отверстия в ребрах соседних труб совпадают. На боковых поверхностях ребер, в зоне их основания, выполнены дополнительные отверстия, ширины которых меньше, чем расстояние между соседними ребрами. Дополнительные отверстия расположены на равном расстоянии от двух соседних отверстий на вершинах ребер. Вершины ребер прилегают к плоским сторонам обменной трубы или к соответственно выполненным поверхностям ребристой ленты соседней обменной трубы. На боковых поверхностях ребер выполнены выдавки, часть из которых расположена снаружи, а другая часть - внутри ребер. Крепление ребер на плоских сторонах обменных труб осуществляется, преимущественно, посредством конденсаторной сварки. 8 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Теплообменник из нескольких параллельно расположенных обменных труб, сечение которых для прохождения одной из участвующих в теплообмене сред имеет большую по сравнению с высотой ширину, причем на каждой из обеих плоских сторон обменной трубы закреплены ребра, образованные многократно изогнутой в форме меандра лентой, отличающийся тем, что в ребрах выполнено несколько отверстий, ширина каждого из которых равна, по меньшей мере, расстоянию между двумя соседними ребрами. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что отверстия расположены в зоне обращенных от плоской стороны обменной трубы вершин ребер. 3. Теплообменник по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия в ребрах соседних труб совпадают. 4. Теплообменник по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что на боковых поверхностях ребер в зоне их основания выполнены дополнительные отверстия, ширина которых меньше, чем расстояние между соседними ребрами. 5. Теплообменник по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что дополнительные отверстия расположены на равном расстоянии от двух соседних отверстий на вершинах ребер. 6. Теплообменник по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что вершины ребер прилегают к плоским сторонам обменной трубы или к соответственно выполненным поверхностям ребристой ленты соседней обменной трубы. 7. Теплообменник по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что на боковых поверхностях ребер выполнены выдавки, часть из которых расположена снаружи, а другая часть внутри ребер. 8. Теплообменник по любому из пп.1 7, отличающийся тем, что вершины ребер закреплены на плоских сторонах обменной трубы посредством линейной непрерывной сварки. 9. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что вершины ребер закреплены на соответствующих плоских сторонах посредством конденсаторной сварки.

Приоритет по пунктам:
06.07.93 по пп.8 и 9;
20.07.93 по пп.1 7.